教学材料《检测技术基础》-9

第9章热电偶传感器测量温度的传感器品种繁多，所依据的工作原理也各不相同。热电偶传感器是众多测温传感器中，已形成系列化、标准化的一种，它能将温度信号转换成电动势。目前在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用，并且可以选用标准的显示仪表和记录仪表来显示和记录。热电偶测温的主要优点有:①它属于自发电型传感器，因此测量时可以不要外加电源，可直接驱动动圈式仪表。②结构简单，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制，可按照需要选择。下一页

返回第9章热电偶传感器③测量范围广，高温热电偶可达1800℃以上，低温热电偶可达-260℃。④测量精度高，各温区中的误差均符合国际计量委员会的标准。本章首先介绍温度测量的基本概念，然后分析热电偶的工作原理、分类，并介绍其使用方法。上一页

返回9.1温度测量的基本概念9.1.1温度的基本概念温度是表征物体或系统冷热程度的物理量。温度单位是国际单位制中七个基本单位之一，从能量角度来看，温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量;从热平衡观点来看，温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量;从分子物理学角度来看，温度反映了系统内部分子无规则运动的剧烈程度。9.1.2温标温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点(即零点)以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。国际上规定的温标有:摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。下一页

返回9.1温度测量的基本概念1.摄氏温标(℃)摄氏温标把在标准大气压下冰的熔点定为零度(0℃)，把水的沸点定为100度(100℃)。在这两固定点间划分100等份，每一等份为摄氏1℃，符号为t。

2.华氏温标(oF)它规定在标准大气压下，冰的熔点为32oF，水的沸点为212oF，两固定点间划分180个等份，每一等份为华氏1oF，符号为ө。它与摄氏温标的关系式为上一页

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返回9.1温度测量的基本概念3.热力学温标(K)热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文(Kelvin)根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，其单位是开尔文(K)。热力学温标规定分子运动停止(即没有热存在)时的温度为绝对零度，水的三相点(气、液、固三态同时存在且进入平衡状态时)的温度为273.16，把从绝对零度到水的三相点之间的温度均匀分为273.16格，每格为1K。由于以前曾规定冰点的温度为273.15K，所以现在沿用这个规定，用下式进行热力学温标和摄氏温标的换算为上一页

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返回9.1温度测量的基本概念4.1990国际温标(ITS-90)国际计量委员会在1968年建立了一种国际协议性温标，即IPTS-68温标。这种温标与热力学温标基本吻合，其差值符合规定的范围，而且复现性(在全世界用相同的方法，可以得到相同的温度值)好，所规定的标准仪器使用方便、容易制造在IPTS-68温标的基础上根据第18届国际计量大会的决议，从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国际温标，简称ITS-90。ITS-90定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式。上一页

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返回9.1温度测量的基本概念ITS-90规定了不同温度段的标准测量仪器。例如在极低温度范围，用气体体积热膨胀温度计来定义和测量;在氢的三相点和银的凝固点之间，用铂电阻温度计来定义和测量;而在银凝固点以上用光学辐射温度计来定义和测量等。9.1.3温度测量及传感器分类常用的各种材料和元器件的性能大都会随着温度的变化而变化，具有一定的温度效应。其中一些稳定性好、温度灵敏度高、能批量生产的材料就可以作为温度传感器温度传感器的分类方法很多。按照用途可分为基准温度计和工业温度计;按照测量方法又可分为接触式和非接触式;按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等;按输出方式分为自发电型、非电测型等。上一页

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返回9.1温度测量的基本概念总之，温度测量的方法很多，而且直到今大，人们仍在不断地研究性能更好的温度传感器。我们可以根据成本、精度、测量范围及被测对象的不同，选择不同的温度传感器。表9-1列出了常用测温传感器的工作原理、名称、测温范围和特点。上一页

返回9.2热电偶传感器的工作原理9.2.1热电效应1821年，德国物理学家赛贝克(T.J.Seebeck)用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点(称为结点)，发现放在回路中的指南针发生偏转，如图9-1(a)所示。如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。显然，指南针的偏转说明电路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。据此，赛贝克发现和证明了两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路，当两个节点温度不同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。电子理论表明:如图9-2所示，热电偶产生的热电势EAB(T,T0)主要由接触电动势和温差电动势组成。下一页

返回9.2热电偶传感器的工作原理1.接触电势产生的原因由于所有金属都具有自由电子，而且在不同的金属中自由电子的浓度不同，因此当两种不同金属A和B接触时，在接触处便发生电子的扩散。若金属A的自由电子浓度大于金属B的自由电子浓度，则在同一瞬间由金属A扩散到金属B中去的电子将比由金属B扩散到金属A中去的电子多，因而金属A对于金属B因丧失电子而带正电荷，金属B获得电子而带负电荷。由于正负电荷的存在，在接触处便产生电场。该电场将阻碍扩散作用的进一步发生，同时引起反方向的电子转移。扩散和反扩散形成矛盾运动。上一页

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返回9.2热电偶传感器的工作原理上述过程的发展，直至扩散作用和阻碍其扩散作用的效果相同时，也即由金属A扩散到金属B的自由电子(形成扩散流)与在电场作用下自金属B转移到金属A的自由电子(形成漂移流)相等时，该过程便处于动态平衡。在这种动态平衡状态下，A和B两金属之间便产生了一定的接触电势，它的数值取决于两种金属的性质和接触点的温度，而与金属的形状及尺寸无关。2.温差电势产生的原因对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同。温度高的一端浓度大，温度低的一端浓度小。因此，高温端和低温端的自由电子要互相转入，最后同样要达到动态平衡，并且在两端形成电位差。上一页

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返回9.2热电偶传感器的工作原理综上所述，在由两种不同金属组成的闭合回路中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热电势等于上述电位差的代数和，即:①金属A和金属B的一个节点在温度为T时产生的接触电势为eAB(T)，即②金属A和金属B的另一节点在温度为T0时产生的接触电势为eAB(T0)。③金属A两端温度为T,T0时，形成的温差电势为eA(T,T0)，即上一页

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返回9.2热电偶传感器的工作原理④金属B两端温度为T,T0时，形成的温差电势为eB(T,T0)。因此，整个闭合回路内总的热电势EAB(T,T0)为应该指出的是，在金属中自由电子数日很多，以致温度不能显著地改变它的自由电子浓度，所以在同一种金属内的温差电势极小，可以忽略。因此，在一个热电偶回路中起决定作用的是两个节点处产生的与材料性质和该点所处温度有关的接触电势。上式可变为上一页

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返回9.2热电偶传感器的工作原理为此，在标定热电偶时，使T0为常数，即则对于各种不同金属组成的热电偶，温度与热电势之间有着不同的函数关系。一般是用实验方法来求取这个函数关系的。上一页

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返回9.2热电偶传感器的工作原理9.2.2热电偶的基本定律1.均质导体定律如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两节点的温度如何，热电势均为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。2.中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体和原导体的两节点温度相同，则回路中总的热电势不变。如图9-4所示，在热电偶回路中接入第三种导体C。上一页

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返回9.2热电偶传感器的工作原理设导体A与B节点处的温度为T，导体A,B与C两节点处的温度为T0，则回路中的总热电势为如果回路中三接点的温度相同，即T=T0，则回路总热电势必为零，即如果接入的第三种导体两端温度不相等，热电偶回路的热电势将要发生变化，变化的大小取决于导体的性质和节点的温度。因此，在测量过程中必须接入的第三种导体不宜采用与热电偶热电性质相差很大的材料;否则，一旦该材料两端温度有所变化，热电势的变动将会很大。上一页

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返回9.2热电偶传感器的工作原理3.标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电势也就已知。如图9-5所示，导体A,B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电势为已知，即则由A,B两导体组成的热电偶的热电势为上一页

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返回9.2热电偶传感器的工作原理标准电极定律是一个极为实用的定律。由于纯金属和各种金属合金种类很多，因此，要确定这些金属之间组合而成的热电偶的热电势，其工作量是极大的。但是可以利用铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯的特性，选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电势可根据上式直接计算出来。4.中间温度定律热电偶在两节点温度T,T0时的热电势等于该热电偶在节点温度为T,Tn和Tn、T0时的相应热电势的代数和。上一页

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返回9.2热电偶传感器的工作原理中间温度定律可以用下式表示为中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明:若热电偶的两热电极被两根导体延长，只要接入的两根导体组成的热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。上一页

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返回9.2热电偶传感器的工作原理如图9-6所示，利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用是十分重要的。在实际使用时，应尽量使上述元器件两端的温度相同，才能减少测量误差。上一页

返回9.3热电偶的材料、结构及种类9.3.1热电偶材料根据金属的热电效应原理，组成热电偶的热电极可以是任意的金属材料，但在实际应用中，用作热电极的材料应具备以下几方面的条件。

1.测量范围广在规定的温度测量范围内具有较高的测量精确度，有较大的热电势。温度与热电势的关系是单值函数。

2.热电性能稳定要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，有较好的均匀性和复现性。

3.化学稳定性好下一页

返回9.3热电偶的材料、结构及种类要求在规定的温度测量范围内使用时有良好的化学稳定性、抗氧化或抗还原性能，不产生蒸发现象。满足上述条件的热电偶材料并不很多。9.3.2热电偶的结构热电偶温度传感器广泛应用于工业生产过程中的温度测量。根据其用途和安装位置不同，它具有多种结构形式。1.普通工业热电偶的结构热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，其结构如图9-7所示。现对各部分构造作简单的介绍。(1)热电极上一页

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返回9.3热电偶的材料、结构及种类热电极又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。(2)绝缘管绝缘管又称绝缘子，是用于热电极之间及热电极与保护套之间进行绝缘保护的零件，以防止它们之间互相短路。其形状一般为圆形或椭圆形，中间开有2个、4个或6个孔，热电偶偶丝穿孔而过。材料为钻土质、高铝质、刚玉质等，根据使用的热电偶而定。(3)保护套管保护套管是用于保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。保护套管应具有耐高温、耐腐蚀且导热性好的特性，可以用作保护套管的材料有金属、非金属及金属陶瓷三大类。上一页

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返回9.3热电偶的材料、结构及种类(4)接线盒热电偶的接线盒用于固定接线座和连接外界导线，起着保护热电极免受外界环境侵蚀和保证外接导线与接线柱接触良好的作用。接线盒一般由铝合金制成，根据被测介质温度范围和现场环境条件要求，可设计成普通型、防溅型、防水型、防爆型等接线盒。2.铠装热电偶它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体。金属套管材料可以是铜、不锈钢或镍基高温合金等;绝缘材料常使用电熔氧化镁/氧化铝/氧化被等的粉末;而热电极无特殊要求。套管中热电极有单支(双芯)、双支(四芯)，彼此间互不接触。上一页

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返回9.3热电偶的材料、结构及种类铠装热电偶体积小，热容量小，动态响应快，可挠性好，柔软性良好，强度高，耐压、耐振、耐冲击，因此被广泛应用于工业生产过程。恺装热电偶冷端连接补偿导线的接线盒的结构，根据不同的使用条件，有不同的形式，如简易式、带补偿导线式、插座式等。9.3.3热电偶的种类及分度表1.标准型热电偶标准型热电偶是指制造工艺比较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入工业标准化文件中的那些热电偶。由于标准化文件对同一型号的标准型热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，故同一型号的标准型热电偶互换性好，具有统一的分度表，并有与其配套的显示仪表可供选用。上一页

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返回9.3热电偶的材料、结构及种类2.非标准型热电偶非标准型热电偶包括铂锗系热电偶、铱锗系热电偶及钨抹系热电偶等。铂锗系热电偶的特点是性能稳定，适用于各种高温测量。铱锗系热电偶长期使用的测温范围在2300℃以下，且热电势与温度线性关系好。钨抹系热电偶的最高使用温度受绝缘材料的限制，目前可达到2800℃左右，主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。3.薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶，它的测量端既小又薄，热容量很小，可用于微小面积上温度的测量;其动态响应快，可测得快速变化的表面温度。上一页

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返回9.3热电偶的材料、结构及种类应用时，薄膜热电偶用胶钻剂紧粘在被测物表面，所以热损失很小，测量精度高。由于使用温度受胶钻剂和衬垫材料限制，目前只能用于-200℃~300℃。上一页

返回9.4热电偶冷端的延长实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响。虽然可以将热电偶做得很长，但这将提高测量系统的成本，是很不经济的。工业中一般是采用补偿导线来延长热电偶的冷端，使之远离高温区。补偿导线测温线路如图9-8所示。补偿导线(A‘,B’)是两种不同材料的、相对比较便宜的金属(多为铜与铜的合金)导体。它们的自由电子密度比和所配接型号的热电偶的自由电子密度比相等，所以补偿导线在一定的环境温度范围内，如0℃~100℃，与所配接的热电偶的灵敏度相同，即具有相同的温度-热电势关系：下一页

返回9.4热电偶冷端的延长使用补偿导线的好处是:①它将自由端从温度波动区tn延长到温度相对稳定区t0，使指示仪表的示值(mV数)变得稳定起来。②购买补偿导线比使用相关同长度的热电极(A,B)便宜很多，可节约大量贵金属。③补偿导线多是用铜及铜的合金制作，所以单位长度的直流电阻比直接使用很长的热电极小得多，可减小测量误差。④由于补偿导线通常用塑料(聚氯乙烯或聚四氟乙烯)作为绝缘层，其自身又为较柔软的铜合金多股导线，所以易弯曲，便于敷设。必须指出的是，使用补偿导线仅能延长热电偶的冷端，虽然总的热电势在多数情况下会比不用补偿导线时有所提高，但从本质上看，这并不是因为温度补偿引起的，而是因为使冷端远离高温区、两端温差变大的缘故，故将其称为“补偿导线”只是一种习惯用语。上一页

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返回9.4热电偶冷端的延长使用补偿导线必须注意4个问题:一是两根补偿导线与热电偶两个热电极的节点必须具有相同的温度;二是各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用;三是必须在规定的温度范围内使用;四是极性切勿接反。上一页

返回9.5热电偶的冷端温度补偿由热电偶测温原理可知，热电偶的输出热电势是热电偶两端温度t和t0差值的函数，但冷端温度t0不变时，热电势与工作端温度成单值函数关系。各种热电偶温度与热电势关系的分度表都是在冷端温度为0℃时作出的，因此用热电偶测量时，若要直接应用热电偶的分度表，就必须满足t0=0℃的条件。9.5.1冷端恒温法(1)将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。下一页

返回9.5热电偶的冷端温度补偿(2)将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限。(3)将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。应该指出的是，除了冰浴法是使冷端温度保持在0℃外，后两种方法只是使冷端维持在某一恒定(或变化较小)的温度上，因此后两种方法仍必须采用下述几种方法予以修正。9.5.2计算修正法当热电偶的冷端温度t0≠0℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB(t,t0)与冷端为0℃时所测得的热电势EAB(t,0℃)不等。上一页

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返回9.5热电偶的冷端温度补偿若冷端温度高于0℃，则EAB(t,t0)<EAB(t,0℃)。可以利用下式计算并修正测量误差:修正时，先测出冷端温度t0，然后从该热电偶分度表中查出EAB(t,0℃)(此值相当于损失掉的热电势)，并把它加到EAB(t,t0)所测得的上。该方法适用于热电偶冷端温度较恒定的情况。在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。上一页

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返回9.5热电偶的冷端温度补偿9.5.3仪表机械零点调整法当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求又不太高，可将动圈式仪表的机械零点调整至热电偶冷端的t0处，这相当于在输入热电偶的热电势前就给仪表输入一个热电势E(t0,0℃)这样，仪表在使用时所指示的值约为E(t,t0)+E(t0,0℃)。进行仪表机械零点调整时，首先必须将仪表的电源及输入信号切断，然后用螺钉旋具调节仪表面板上的螺钉使指针指到t0的刻度上。但气温变化时，应及时修正指针的位置。此法虽有一定的误差，但非常简便，在工业上经常采用。上一页

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返回9.5热电偶的冷端温度补偿9.5.4电桥补偿法电桥补偿法利用不平衡电桥产生的不平衡电动势来补偿因冷端温度变化引起的热电势变化值，可以自动地将冷端温度校正到补偿电桥的平衡点温度上。补偿器(补偿电桥)的应用如图9-10所示。一般选择ECu阻值，使不平衡电桥在20℃(平衡点温度)时处于平衡，此时RCu=1，电桥平衡，不起补偿作用。冷端补偿电桥可以单独制成补偿器，通过外线与热电偶和后续仪表连接，而它更多是作为后续仪表的输入回路，与热电偶连接现已有现成的补偿器可供选择，与热电偶配套使用。上一页

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返回9.5热电偶的冷端温度补偿9.5.5热电偶的其他卞要误差前面介绍的修正、补偿等方法都是消除或减少由于热电偶冷端温度变化带来的测温误差。此外，还有其他方面带来的误差。1.分度误差工业上常用热电偶的分度都是依据标准分度表进行的，这就存在每个热电偶产品的实际热电特性与标准分度表不一致引起的误差。即使对所使用的热电偶进行单独分度，像非标准化特殊用途热电偶通常采用的单独分度一样，由于种种原因，也存在不可克服的分度误差。随着热电极材料的不断发展和制造工艺的进步，标准分度表也在不断地更换，在使用不同时期生产的标准化热电偶时，应注意其分度号，选用配套的标准分度表。上一页

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返回9.5热电偶的冷端温度补偿2.仪表误差及接线误差用热电偶测温时，要用到与之配套的显示或记录仪表，它们的误差自然会引进测量最终误差中去。热电偶与仪表之间用导线连接时，必须注意接线电阻的影响，使其满足仪表的技术条件。3.干扰误差由于电场或磁场的干扰，在热电偶回路中会造成附加电动势而引起测量误差。常用热电偶冷端或热端接地、加屏蔽等抗干扰方法加以消除。上一页

返回9.6热电偶测温线路9.6.1测量某一点的温度图9-11(a)(b)所示都是一支热电偶与一个仪表配用的连接电路，用于测量某一点的温度。A‘,B’为补偿导线。这两种连接方式的区别在于:图9-11(a)中的热电偶冷端被延伸到仪表内，而图9-11(b)中的热电偶冷端在仪表外面，RD为连接冷端与仪表的导线的电阻。9.6.2测量两点之间的温度差图9-12所示为用两支热电偶与一个仪表进行配合，测量两点之间温差的线路。图中用了两支型号相同的热电偶并配用相同的补偿导线。工作时，两支热电偶产生的热电动势方向相反，故输入仪表的是其差值，这一差值正反映了两支热电偶热端的温差。下一页

返回9.6热电偶测温线路为了减少测量误差，提高测量精度，要尽可能选用热电特性一致的热电偶，同时要保证两热电偶的冷端温度相同。9.6.3热电偶并联线路有些大型设备需测量多点的平均温度，可以通过与热电偶并联的测量电路来实现。将n支同型号热电偶的正极和负极分别连接在一起的线路称并联测量线路。如图9-13所示，如果n支热电偶的电阻均相等，则并联测量线路的总热电动势等于;:支热电偶热电势的平均值，即在热电偶并联线路中，当其中一支热电偶断路时，不会中断整个测温系统的工作。上一页

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返回9.6热电偶测温线路9.6.4热电偶串联线路将n支同型号热电偶依次按正、负极相连接的线路称串联测量线路，测量线路的总热电势等于支热电偶热电势之和，即如图9-14所示，串联热电偶串联线路的主要优点是热电势大，使仪表的灵敏度大为增加。缺点是只要有一支热电偶断路，整个测量系统便无法工作。在热电偶测量电路中使用的导线线径应适当选大些，以减小线损的影响。上一页

返回9.7热电偶的应用及配套仪表9.7.1与热电偶配套的仪表与热电偶配套的仪表有动圈式仪表及数字式仪表之分。符合国家标准的动圈式显示仪表命名为Xa系列。按其功能有指示型(XCZ)和指示调节型(XCT)两个系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ系列或XCT系列等。数字式仪表按其功能也有指示型(XMZ系列)和指示调节型(XMT系列)品种。XC系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线(补偿导线)、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。下一页

返回9.7热电偶的应用及配套仪表XMT系列仪表是在XCZ系列仪表的基础上，加装了有调节、报警功能的数字式指示一调节型仪表，是专为热工、电力、化工等工业系统测量、显示、变送温度的一种标准仪器，适用于旧式动圈指针式仪表的更新、改造。它不仅具有显示温度的功能，还能实现被测温度超限报警或双位继电器调节。其面板上设置有温度设定按键。当被测温度高于设定温度时，仪表内部的断电器动作，可以切断加热回路。它的特点是采用工控单片机为主控部件，智能化程度高，使用方便。图9-16示出了与热电偶配套的XCZ及XMT仪表的外部接线图。上一页

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返回9.7热电偶的应用及配套仪表图9-16(a)中的“短”、“短”两端在搬运仪表时须用导线端接起来，以保护仪表指针不致打弯或折断。图9-16(b)中，“上限输出2”的三个触点从左到右为仪表内继电器的常开(动合)触点、动触点和常闭(动断)触点。当被测温度低于设定的上限值时，“高-总”端子接通，“低-总”端子断开;当被测温度达到上限值时，“低-总”端子接通，而“高-